Pomiary w układzie szeregowym RLC.

07
K AT E D R A F I Z Y K I S T O S O WA N E J
________________________________________________________________________
P R A C O W N I A P O D S TAW E L E K T R O T E C H N I K I I E L E K T R O N I K I
Ćw. 7a. Pomiary w układzie szeregowym RLC
Wprowadzenie
Prąd zmienny płynący w obwodzie charakteryzuje natężenie prądu zmieniające się
sinusoidalnie w czasie w postaci
i(t )=I m sin ω t ,
(1)
c
gdzie Im to amplituda prądu, a w to jego częstość/pulsacja zależna od częstotliwości prądu f
następująco: w = 2pf. Elementami obwodu prądu zmiennego mogą być opornik R, cewka
indukcyjna L i kondensator C, gdyż przez każdy z tych elementów obwodu, nawet kondensator,
prąd zmienny popłynie. Jednym z typowych połączeń jest szeregowy obwód RLC pokazany na
rys. 1.
Rys. 1 Szeregowe połączenie RLC
Z prawa Ohma wynika, że gdy prąd zmienny płynie przez opór R, to na jego końcach wystąpi
napięcie o wartości
u R =R I m sin ωt .
(2)
Z prawa Faradaya wynika natomiast, że w cewce indukcyjnej wyindukuje się napięcie o wartości
u L = L ωI m sin(ωt +π/2) ,
(3)
gdzie L oznacza tu kluczowy parametr cewki – indukcyjność. Mierzy się ją w henrach [H], przy
czym H = V·s/A. Przez kondensator może popłynąć prąd zmienny, gdyż ładuje on i rozładowuje
jego okładki ładunkiem q, przy czym spełniona jest zawsze zależność i=∂ q/∂t . Ponieważ
ładunek na okładkach kondensatora jest powiązany z napięciem między jego okładkami (tu
zmiennym w czasie i oznaczonym uC) znaną zależnością q = uC·C, pozwala to obliczyć
u C=
1
I sin(ωt−π/2).
ωC m
(4)
Ze wzoru 2 wynika, że faza napięcia i natężenia na oporze są identyczne. Wzór 3 mówi, że
napięcie na cewce wyprzedza natężenie prądu o wartość p/2, natomiast ze wzoru 4 wynika, że
napięcie na kondensatorze jest opóźnione względem natężenia o p/2. We wzorach 3 i 4 występują
iloczyny o wymiarze oporu: reaktancja cewki XL = wL i reaktancja kondensatora XC = 1/wC. To od
1
ich wartości zależy wartość amplitudy napięcia na danym elemencie, gdy popłynie przez niego prąd
zmienny o amplitudzie Im.
Zgodnie z II prawem Kirchhoffa w dowolnym obwodzie suma spadków napięć na elementach
obwodu powinna być równa sile elektromotorycznej (SEM) źródła prądu. W obwodzie szeregowym
RLC występują spadki napięć na elementach R, L i C, a rolę SEM pełni zmienne sinusoidalnie
napięcie o amplitudzie E. II prawo Kirchhoffa dla prądu zmiennego w obwodzie szeregowym RLC
dobrze jest zilustrować na diagramie wskazowym (rys. 2). Każdy z pokazanych tu wektorów/
wskazów, obracających się z prędkością kątową w, jest ustawiony pod ściśle określonym kątem:
wskaz napięcia na oporze UR ma zwrot zgodny ze wskazem prądu, wskaz napięcia na cewce UL
wyprzedza go o 90o, a wskaz napięcia na kondensatorze UC jest opóźniony o 90o. W ten sposób
rzuty wskazów napięcia na oś pionową są zawsze równe występującemu na nich w danej chwili t
napięciu. II prawo Kirchhoffa będzie spełnione, gdy suma geometryczna wskazów UR, UL i UC
będzie równa wektorowi E. Zachodzą więc zależności:
2
2
2
E =U R +(U L −U C )
(
I
E =( I m R) + I m L ω− m
ωC
2
2
2
)
z których da się obliczyć wartość amplitudy prądu:
I m=
E
√
(
1
R + L ω−
ωC
2
2
)
.
(5)
Wyrażenie w mianowniku jest nazywane zawadą lub modułem impedancji obwodu RLC. Warto
wiedzieć, że sama impedancja jest liczbą zespoloną i ma ściśle określoną wartość również dla
każdego oddzielnego elementu R, L czy C, a reaktancja dla L lub C jest częścią urojoną ich
impedancji. Wartość modułu impedancji/zawady Z decyduje o tym jak duży prąd popłynie w
obwodzie zgodnie z zależnością: Im = E/Z.
Rys. 2. Wykres wskazowy prądu i napięć na elementach szeregowego obwodu RLC.
2
Metoda pomiaru
Rys. 3. Schemat układu pomiarowego do badania parametrów szeregowego układu RLC.
Pokazane jest podłączenie woltomierza V2 do obwodu podczas pomiaru napięcia URL.
Celem ćwiczenia jest określenie wybranych parametrów elektrycznych szeregowego
obwodu RLC (rys. 3) dokonując na nich pomiarów napięcia oraz mierząc płynący w obwodzie
prąd. Generator sygnału sinusoidalnego jest źródłem napięcia zmiennego o regulowanej
amplitudzie E i częstotliwości f. Cewka indukcyjna jest cewką rzeczywistą, tzn. jej impedancja ma
składową rzeczywistą – opór omowy RL – oraz składową urojoną, czyli reaktancję cewki XL = wL.
Dlatego też moduł impedancji cewki czyli jej zawada wynosi
Z L= √ R2L +(Lω)2 .
(6)
Po zamknięciu obwodu dokonujemy pomiarów natężenia prądu I oraz napięć: U na wyjściu
generatora, UR na oporniku, UL na cewce indukcyjnej, UC na kondensatorze, URL na zespole
opornik-cewka oraz ULC na zespole cewka-kondensator, tak jak pokazuje to rysunek 3.
Po zebraniu wszystkich pomiarów dokonujemy kolejno obliczeń szukanych parametrów:
1. zawady obwodu Z =U /I ,
(7a)
2. reaktancji kondensatora X C =U C /I ,
(7b)
3. pojemności kondensatora C=1/(ωX C )
(7c)
4. zawady cewki Z L=U L /I ,
(7d)
5. zawady zespołu opornik-cewka Z RL=U RL / I ,
(7e)
6. oporu
R=U R / I ,
(7f)
[
7. oporu omowego cewki
8. indukcyjności cewki
9. reaktancji cewki
2
2
1 Z LR−Z L
R L=
−R
2
R
L=
√Z
X L=L ω ,
]
,
2
L
−R2L
,
ω
(7h)
(7i)
10. cosinusa przesunięcia fazowego napięcia względem prądu cos ϕ=( R+ R L )/ Z ,
11. mocy traconej w obwodzie
(7g)
P=U I cos ϕ .
3
(7j)
(7k)
Wykonanie ćwiczenia
Rys. 4. Zestaw przyrządów potrzebnych do pomiaru parametrów układu RLC: G – generator napięcia zmiennego, W –
wyłącznik, V1 i V2 – multimetry jako woltomierze, A – amperomierz, R – opornik dekadowy, L – dekadowa cewka
indukcyjna, C – kondensator dekadowy, Lx – badane cewki indukcyjne, K – kable połączeniowe, P – przedłużacz.
1. Połączyć układ pomiarowy wg. schematu z rys. 3 korzystając z przyrządów pokazanych na
rys. 4. Do wyjścia generatora podłączyć przewody zakończone wtykiem bananowym z
gniazdem, a z drugiej strony zwykłym wtykiem bananowym do wetknięcia w odpowiednie
gniazda woltomierza V1. Do podłączeń przyrządów R, L (L x w drugim pomiarze) oraz C
użyć przewodów z wtykiem widełkowym. Włączyć przedłużacz.
2. Zalecane jest wykonanie pierwszego obwodu RLC łącząc dekadowy: opornik, cewkę
indukcyjną i kondensator. Ustawiamy na nich wartości podane przez prowadzącego. W
drugim pomiarze, zamiast cewki wzorcowej, podłączamy cewkę badaną o numerze 1, 2, 3
lub 4 wskazaną do zmierzenia przez prowadzącego.
3. Włączyć zasilanie generatora napięcia zmiennego oraz ustawić na nim wybraną przez
prowadzącego częstotliwość f od 50 Hz do 1000 Hz. Wciskając przycisk 10 V na
generatorze i pokręcając pokrętłem płynnej regulacji napięcia wyjściowego oraz obserwując
wskazania woltomierza V1 przy zamkniętym wyłączniku W, ustawić wartość tego
napięcia/siły elektromotorycznej E jak najbliższą 10,0 V.
4. Załączyć wyłącznik W i odczytać napięcie U na wyjściu obciążonego generatora oraz
wskazania amperomierza I. Następnie przykładając końcówki woltomierza cyfrowego
kolejno do odpowiednich gniazd połączeniowych przyrządów dokonać pomiarów napięć na
elementach obwodu wskazanych na rys. 3. Podczas pomiarów dostosowywać zakres pracy
woltomierza V2 tak, by odczyt napięć był możliwie dokładny. Wyniki pomiarów zapisać w
tabeli 2.
Tabela 2. Wartości pomiarów dla R = ….... W i C = ….... mF.
Wartości
nastawione
f
[Hz]
E
[V]
Wartości zmierzone
U
[V]
I
[A]
UR
[V]
UL
[V]
UC
[V]
URL
[V]
Wartości obliczone
ULC
[V]
Z
[W]
XC
[W]
4
C
[mF]
ZL
[W]
ZLR
[W]
R
[W]
RL
[W]
L
[H]
XL
[W]
cosf
P
[W]
Opracowanie wyników
1. Na podstawie otrzymanych wyników, dokonać obliczeń szukanych wielkości/parametrów
korzystając z arkusza kalkulacyjnego i wzorów 7a-7k.
2. Narysować wykres wskazowy badanego obwodu RLC i stwierdzić, jaki ten obwód ma
charakter – czynno-indukcyjny czy czynno-pojemnościowy.
3. Ze względu na złożoność i ilość obliczanych wielkości wybrać do oceny niepewności
pomiaru dowolny jeden obliczany parametr spośród: RL (wzór 7g), L (wzór 7h), sin
(wzór 7j) albo P (wzór 7k). Do oszacowania niepewności pomiarów bezpośrednich [3]
napięć, natężenia oraz dokładności ustawienia częstotliwości przyjąć klasę woltomierza 2,
amperomierza 0,5 oraz generatora napięcia 0,15. Do obliczeń niepewności wybranego
parametru zastosować najlepiej arkusz kalkulacyjny i metodę różnicową [3].
Zagadnienia do kolokwium:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Wielkości opisujące prąd zmienny.
Związek natężenia prądu i napięcia na kondensatorze i cewce indukcyjnej.
Opór omowy, reaktancja cewki i kondensatora, impedancja/zawada obwodu.
Wykres wskazowy dla połączeń RC i RL.
Diagram wskazowy dla przepływu prądu w obwodzie RLC.
Od czego zależy charakter obwodu RLC oraz faza przesunięcia?
Literatura:
1. D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Podstawy fizyki, tom 3 (Wydawnictwo Naukowe PWN,
Warszawa, 2003).
2. W. Pietrzyk (red), Laboratorium z elektrotechniki (Wydawnictwa Uczelniane PL, 2003) str.
53-66.
3. W. Polak, Niepewności pomiarowe w pracowni fizycznej, http://www.kfs.pollub.pl/
pracowniaelektr/niep_pom.pdf
Opiekun ćwiczenia: dr Wiesław Polak
5